C语言0长度数组(可变数组/柔性数组)
一、零长度数组概念
众所周知, GNU/GCC 在标准的 C/C++ 基础上做了有实用性的扩展, 零长度数组（Arrays of Length Zero） 就是其中一个知名的扩展，多数情况下, 其应用在变长数组中, 其定义如下
struct Packet { int state; int len; char cData[0]; //这里的0长结构体就为变长结构体提供了非常好的支持 };
首先对 0长度数组, 也叫柔性数组 做一个解释 ：
（1）用途 : 长度为0的数组的主要用途是为了满足需要变长度的结构体
（2）用法 : 在一个结构体的最后, 申明一个长度为0的数组, 就可以使得这个结构体是可变长的. 对于编译器来说, 此时长度为0的数组并不占用空间, 因为数组名本身不占空间, 它只是一个偏移量, 数组名这个符号本身代表了一个不可修改的地址常量.
二、 0长度数组的用途
我们设想这样一个场景, 我们在网络通信过程中使用的数据缓冲区, 缓冲区包括一个len字段和data字段, 分别标识数据的长度和传输的数据, 我们常见的有几种设计思路。
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定长数据缓冲区, 设置一个足够大小
MAX_LENGTH的数据缓冲区设置一个指向实际数据的指针, 每次使用时, 按照数据的长度动态的开辟数据缓冲区的空间.
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设置一个指向实际数据的指针, 每次使用时, 按照数据的长度动态的开辟数据缓冲区的空间.
我们从实际场景中应用的设计来考虑他们的优劣. 主要考虑的有, 缓冲区空间的开辟, 释放和访问。
1 定长包(开辟空间, 释放, 访问)
比如我要发送 1024 字节的数据, 如果用定长包, 假设定长包的长度 MAX_LENGTH 为 2048, 就会浪费 1024 个字节的空间, 也会造成不必要的流量浪费.
（1）数据结构定义
// 定长缓冲区 struct max_buffer { int len; char data[MAX_LENGTH]; };
（2）数据结构大小
考虑对齐, 那么数据结构的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char) * MAX_LENGTH
由于考虑到数据的溢出, 变长数据包中的 data 数组长度一般会设置得足够长足以容纳最大的数据, 因此 max_buffer 中的 data 数组很多情况下都没有填满数据, 因此造成了浪费。
（3）数据包的构造
假如我们要发送 CURR_LENGTH = 1024 个字节, 我们如何构造这个数据包呢，一般来说, 我们会返回一个指向缓冲区数据结构 max_buffer 的指针.
/// 开辟 if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL) { mbuffer->len = CURR_LENGTH; memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", mbuffer->len, mbuffer->data); }
（4）访问
这段内存要分两部分使用，
前部分 4 个字节 p->len, 作为包头(就是多出来的那部分)，这个包头是用来描述紧接着包头后面的数据部分的长度，这里是 1024, 所以前四个字节赋值为 1024 (既然我们要构造不定长数据包，那么这个包到底有多长呢，因此，我们就必须通过一个变量来表明这个数据包的长度，这就是len的作用)，
而紧接其后的内存是真正的数据部分, 通过 p->data, 最后, 进行一个 memcpy() 内存拷贝, 把要发送的数据填入到这段内存当中
（5）释放
那么当使用完毕释放数据的空间的时候, 直接释放就可以了。
/// 销毁 free(mbuffer); mbuffer = NULL;
（6）小结
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使用定长数组, 作为数据缓冲区, 为了避免造成缓冲区溢出, 数组的大小一般设为足够的空间
MAX_LENGTH, 而实际使用过程中, 达到MAX_LENGTH长度的数据很少, 那么多数情况下, 缓冲区的大部分空间都是浪费掉的. -
但是使用过程很简单, 数据空间的开辟和释放简单, 无需程序员考虑额外的操作
2 指针数据包(开辟空间, 释放, 访问)
如果你将上面的长度为 MAX_LENGTH 的定长数组换为指针, 每次使用时动态的开辟 CURR_LENGTH 大小的空间, 那么就避免造成 MAX_LENGTH - CURR_LENGTH 空间的浪费, 只浪费了一个指针域的空间.
（1）数据包定义
struct point_buffer { int len; char *data; };
（2）数据结构大小
考虑对齐, 那么数据结构的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char *)
（3）空间分配
但是也造成了使用在分配内存时，需采用两步
// ===================== // 指针数组 占用-开辟-销毁 // ===================== /// 占用 printf("the length of struct test3:%d\n",sizeof(struct point_buffer)); /// 开辟 if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL) { pbuffer->len = CURR_LENGTH; if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL) { memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", pbuffer->len, pbuffer->data); } }
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首先, 需为结构体分配一块内存空间.其次再为结构体中的成员变量分配内存空间.其次再为结构体中的成员变量分配内存空间.
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其次再为结构体中的成员变量分配内存空间.
这样两次分配的内存是不连续的, 需要分别对其进行管理. 当使用长度为的数组时, 则是采用一次分配的原则, 一次性将所需的内存全部分配给它.
（4）释放
相反, 释放时也是一样的.
/// 销毁 free(pbuffer->data); free(pbuffer); pbuffer = NULL;
（5）小结
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使用指针结果作为缓冲区, 只多使用了一个指针大小的空间, 无需使用
MAX_LENGTH长度的数组, 不会造成空间的大量浪费.
2. 但那是开辟空间时, 需要额外开辟数据域的空间, 施放时候也需要显示释放数据域的空间, 但是实际使用过程中, 往往在函数中开辟空间, 然后返回给使用者指向 struct point_buffer 的指针, 这时候我们并不能假定使用者了解我们开辟的细节, 并按照约定的操作释放空间, 因此使用起来多有不便, 甚至造成内存泄漏。
3 变长数据缓冲区(开辟空间, 释放, 访问)
定长数组使用方便, 但是却浪费空间, 指针形式只多使用了一个指针的空间, 不会造成大量空间分浪费, 但是使用起来需要多次分配, 多次释放, 那么有没有一种实现方式能够既不浪费空间, 又使用方便的呢?
GNU C 的0长度数组, 也叫变长数组, 柔性数组就是这样一个扩展. 对于0长数组的这个特点，很容易构造出变成结构体，如缓冲区，数据包等等：
（1）数据结构定义
// 0长度数组 struct zero_buffer { int len; char data[0]; };
（2）数据结构大小
这样的变长数组常用于网络通信中构造不定长数据包, 不会浪费空间浪费网络流量, 因为char data[0]; 只是个数组名, 是不占用存储空间的,
即 sizeof(struct zero_buffer) = sizeof(int)
（3）开辟空间
那么我们使用的时候, 只需要开辟一次空间即可
/// 开辟 if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL) { zbuffer->len = CURR_LENGTH; memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", zbuffer->len, zbuffer->data); }
（4）释放空间
释放空间也是一样的, 一次释放即可
/// 销毁 free(zbuffer); zbuffer = NULL;
总结：
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长度为0的数组并不占有内存空间, 而指针方式需要占用内存空间.
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对于长度为0数组, 在申请内存空间时, 采用一次性分配的原则进行; 对于包含指针的结构体, 才申请空间时需分别进行, 释放时也需分别释放.
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对于长度为的数组的访问可采用数组方式进行
